新闻与活动 新闻与活动/光谱小讲堂 第①期 光谱学起源-牛顿分光实验

光谱小讲堂 第①期 光谱学起源-牛顿分光实验



牛顿,是世界近代科学技术史上伟大的物理学家、天文学家和数学家。他的一生中,不仅在经典力学研究上作出了卓越的贡献,而且在热学、光学、天文、数学等方面也做出了卓越的贡献。

牛顿曾致力于颜色的现象和光的本性的研究。当时大家都认为白色是一种再纯不过的光,而平常我们所见到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光。直到十七世纪中叶,牛顿通过实验澄清了这个问题,完全颠覆了人们对光的颜色的认识。


1.白光的分解

牛顿的实验是这样做的:把一间屋的所有窗户、门等透光的地方用厚实的布遮挡起来,屋子里什么也看不见,这就制造了一个暗室。在暗室向太阳的一扇窗上开一个小孔,让一束窄的太阳光通过这个小孔进入室内,在光束经过的路径上放一块三角形的玻璃棱镜。小洞对面的墙上就会观察到一个由各种颜色的圆斑组成的像,颜色的排列是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,偏离最大的一端是紫光,偏离最小的一端是红光。牛顿把这个颜色光斑叫做光谱。他在著作中记载道:“1666年初,我做了一个三角形的玻璃棱柱镜,利用它来研究光的颜色。为此,我把房间里弄成漆墨的,在窗户上做一个小孔,让适量的日光射进来。我又把棱镜放在光的入口处,使折射的光能够射到对面的墙上去,当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的光色时,使我感到极大的愉快。”


牛顿为了解释三棱镜实验中白光的分解现象,认为白光是由各种不同颜色光组成的,玻璃对各种色光的折射本领不同,当白光通过棱镜时,各色光以不同角度折射,结果就被分开成颜色光谱.白光通过棱镜时,向棱镜的底边偏折,紫光偏折最大,红光偏折最小。棱镜使白光分开成各种色光的现象叫做光的色散。严格地说,光谱中有很多各种颜色的细线,它们都及平滑地融在相邻的细线里,以至使人觉察不到它的界限。

但仅凭这个实验,还不足以令人相信是白光(太阳光)分解成单一颜色光。因为在牛顿之前,对此现象一直有另一种解释,即认为白光通过棱镜后之所以变成依次排列的各种光,并不是白光本身具有复杂成份的缘故,而是白光与棱镜相互作用的结果。


2.单色光与棱镜的相互作用

为此,牛顿又设计了另一个实验,牛顿把这个实验称为“判决性实验”。实验如下:在玻璃三棱镜后面放一张白纸AB作为光屏,在这张白纸上再开一个小孔,让透过这个小孔的光线再经过第二个玻璃三棱镜,并在它后面放一个新的白纸CD。他设想:若白光通过棱镜变成各种颜色的光是由于白光与棱镜相互作用的结果,那么,第二个棱镜还会与这些光再发生作用而改变这些光的颜色。但实验表明,第二个棱镜只是把这束光整个地偏转一定的角度,并不改变光的颜色。牛顿转动第一个棱镜,使光谱中不同颜色的光先后依次通过白纸AB上的小孔,在所有这些情形下,这些不同颜色的光并不能被第二个棱镜再次分解,都只是偏转了一定的角度,并且对于不同颜色的光的偏转角度也不同。如让第一个屏上的黄光透过小孔射到第二个棱镜上,则屏CD上可看到有两条明亮的黄线组成,但不论把这两条黄线分开到何等程度,都不能改变它们的颜色。通过这些实验,牛顿得出结论:白光能分解成不同颜色的光,这些光已是单色的了,棱镜不能再分解它们。


3.单色光汇聚成白光 

为了进一步证明白光是由各种颜色的单色光组合而成的,牛顿还做了一个实验,他用棱镜将白光束分解为光谱后,再通过另一个顶角较大的倒置棱镜;他设想,由于第二个棱镜顶角较大,使不同色光的偏折大于第一个棱镜,所以不同色光又会会聚起来,在第二个棱镜后面的某一区域交汇,如在这区域内置一屏幕,则屏幕上将会重现出白光。实验现象与预想的完全一致,从而证实了白光的确具有复杂的成份,并能分解成不同颜色的单色光。而棱镜不能再分解它们,且每一种颜色的光都有自己确定的折射率。



通过上述实验,牛顿为光的色散理论奠定了基础,也开创了光谱学研究的先端。如今,我们对光谱的了解扩大到X光,无线电波,紫外线和红外线,甚至可以让我们知道恒星是什么组成的。现在的光谱学分析技术已经成为光学和物质结构研究的主要手段。


下期预告:光谱仪的结构




光谱小讲堂 第①期 光谱学起源-牛顿分光实验



牛顿,是世界近代科学技术史上伟大的物理学家、天文学家和数学家。他的一生中,不仅在经典力学研究上作出了卓越的贡献,而且在热学、光学、天文、数学等方面也做出了卓越的贡献。

牛顿曾致力于颜色的现象和光的本性的研究。当时大家都认为白色是一种再纯不过的光,而平常我们所见到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光。直到十七世纪中叶,牛顿通过实验澄清了这个问题,完全颠覆了人们对光的颜色的认识。


1.白光的分解

牛顿的实验是这样做的:把一间屋的所有窗户、门等透光的地方用厚实的布遮挡起来,屋子里什么也看不见,这就制造了一个暗室。在暗室向太阳的一扇窗上开一个小孔,让一束窄的太阳光通过这个小孔进入室内,在光束经过的路径上放一块三角形的玻璃棱镜。小洞对面的墙上就会观察到一个由各种颜色的圆斑组成的像,颜色的排列是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,偏离最大的一端是紫光,偏离最小的一端是红光。牛顿把这个颜色光斑叫做光谱。他在著作中记载道:“1666年初,我做了一个三角形的玻璃棱柱镜,利用它来研究光的颜色。为此,我把房间里弄成漆墨的,在窗户上做一个小孔,让适量的日光射进来。我又把棱镜放在光的入口处,使折射的光能够射到对面的墙上去,当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的光色时,使我感到极大的愉快。”


牛顿为了解释三棱镜实验中白光的分解现象,认为白光是由各种不同颜色光组成的,玻璃对各种色光的折射本领不同,当白光通过棱镜时,各色光以不同角度折射,结果就被分开成颜色光谱.白光通过棱镜时,向棱镜的底边偏折,紫光偏折最大,红光偏折最小。棱镜使白光分开成各种色光的现象叫做光的色散。严格地说,光谱中有很多各种颜色的细线,它们都及平滑地融在相邻的细线里,以至使人觉察不到它的界限。

但仅凭这个实验,还不足以令人相信是白光(太阳光)分解成单一颜色光。因为在牛顿之前,对此现象一直有另一种解释,即认为白光通过棱镜后之所以变成依次排列的各种光,并不是白光本身具有复杂成份的缘故,而是白光与棱镜相互作用的结果。


2.单色光与棱镜的相互作用

为此,牛顿又设计了另一个实验,牛顿把这个实验称为“判决性实验”。实验如下:在玻璃三棱镜后面放一张白纸AB作为光屏,在这张白纸上再开一个小孔,让透过这个小孔的光线再经过第二个玻璃三棱镜,并在它后面放一个新的白纸CD。他设想:若白光通过棱镜变成各种颜色的光是由于白光与棱镜相互作用的结果,那么,第二个棱镜还会与这些光再发生作用而改变这些光的颜色。但实验表明,第二个棱镜只是把这束光整个地偏转一定的角度,并不改变光的颜色。牛顿转动第一个棱镜,使光谱中不同颜色的光先后依次通过白纸AB上的小孔,在所有这些情形下,这些不同颜色的光并不能被第二个棱镜再次分解,都只是偏转了一定的角度,并且对于不同颜色的光的偏转角度也不同。如让第一个屏上的黄光透过小孔射到第二个棱镜上,则屏CD上可看到有两条明亮的黄线组成,但不论把这两条黄线分开到何等程度,都不能改变它们的颜色。通过这些实验,牛顿得出结论:白光能分解成不同颜色的光,这些光已是单色的了,棱镜不能再分解它们。


3.单色光汇聚成白光 

为了进一步证明白光是由各种颜色的单色光组合而成的,牛顿还做了一个实验,他用棱镜将白光束分解为光谱后,再通过另一个顶角较大的倒置棱镜;他设想,由于第二个棱镜顶角较大,使不同色光的偏折大于第一个棱镜,所以不同色光又会会聚起来,在第二个棱镜后面的某一区域交汇,如在这区域内置一屏幕,则屏幕上将会重现出白光。实验现象与预想的完全一致,从而证实了白光的确具有复杂的成份,并能分解成不同颜色的单色光。而棱镜不能再分解它们,且每一种颜色的光都有自己确定的折射率。



通过上述实验,牛顿为光的色散理论奠定了基础,也开创了光谱学研究的先端。如今,我们对光谱的了解扩大到X光,无线电波,紫外线和红外线,甚至可以让我们知道恒星是什么组成的。现在的光谱学分析技术已经成为光学和物质结构研究的主要手段。


下期预告:光谱仪的结构



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